基本信息
- 项目名称：
- 高速率短波OFDM调制解调器
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品是基于正交频分复用（OFDM）技术的高速率短波调制解调器，能在恶劣的短波信道条件下实现低误码率和高速率传输，人机接口和设备接口符合使用要求。作品已通过了实验室物理测试和室外无线电通信测试。 本作品采用先进的OFDM技术，避开了单载波系统存在的复杂均衡问题，而且可扩展带宽到12KHz，大幅提高了传输速率以及高速传输时的传输效果，使得对于图像等多媒体信息也能够进行高质量的传输。本作品拥有广阔的市场应用前景：民用方面，可用于民用救灾应急，海洋作业的指挥调度救援和偏远山区通信保障等系统的数据传输；军用方面，以本作品为核心组成的短波链在战场信息化、损毁评估、侦察数据/图像传输、雷达网信息传输，远程武器遥控及无人值守系统等方面也都有重要的应用。
- 详细介绍：
- 传统的短波电台只提供话音通信功能。随着信息时代的到来，军事和民用通信对数据传输的需求不断增长。短波调制解调器和短波通信电台组成的数字通信系统可以满足人们对短波数据通信的需求。在发送端，调制解调器接收来自计算机终端的用户数据，经过OFDM调制产生伪话音信号，并通过话音接口送至短波电台发射出去。在接收端，短波电台将接收的短波信号进行处理，通过话音接口输出到OFDM调制解调器。OFDM调制解调器对接收的话音信号进行解调和处理，恢复数据，并上传用户终端。显然，调制解调器是短波数字通信系统的核心，数据传输的速率和误码率是衡量调制解调器性能的最重要指标。 针对短波信道环境和应用需求，本作品采用了移动通信领域近年来提出的多项新技术，将先进的OFDM技术、信道估计技术、比特交织编码调制（BICM）技术和低密度校验（LDPC）编译码技术创新地集成在一个系统中，研发成功了高速率OFDM短波调制解调器。 本作品硬件平台的设计采用了DSP+FPGA结构的软件无线电思想，具有开放性、可扩展性和可升级性，充分满足目标系统的应用要求。软件方案采用了结构化、模块化和面向对象的程序设计方法，便于代码重用和软件升级。 调制解调器已具备实际使用所需的各种接口，包括连接短波电台的话音信号接口，与计算机数据通信的串行接口和一个用于系统软件升级与参数配置的超级终端串行接口。作品前面板的键盘和LCD显示屏用于参数设置和工作状态指示。 我们对本作品进行了大量性能测试，实验室测试环境采用美国ROCKWELL公司生产的短波信道模拟器MDM-3001（在国际上已成为行业标准）。测试表明，本作品在3KHz带宽内的传输速率达到9.6Kbps,比国内串行MODEM的速率提高了四倍，在12KHz带宽内的传输速率达到了38.4Kbps。在典型的ITU POOR短波信道（时延2ms，多普勒扩展1Hz）条件下，各种传输速率时的误码性能均优于国际上最先进的串行MODEM（具体测试结果见先进性分析部分）。我们还在南京和无锡之间对本作品进行了外场无线通信测试，结果表明，本作品性能良好，工作稳定，使用操作符合实际应用要求。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 【作品目的】 目前，短波通信存在的主要问题是传输速率低。在3KHz带宽内，我国的短波通信系统最高传输速率2.4Kbps，国外最高传输速率9.6 Kbps。现有的短波通信系统均采用复杂的单载波自适应均衡技术，但随着传输速率的提高，均衡器的阶数变得很大，以至于难以实现，迫切需要新的适于多径衰落信道的传输技术。 【作品思路】 短波信道的多径时延将产生严重的符号间干扰，而OFDM技术具有很高的频带利用率和天然的抗频率选择性衰落的能力。本作品的基本思路就是将OFDM技术应用到短波数字通信领域，并应用近年来无线通信领域提出的新技术，提高了误码率性能，研制成功新一代高性能短波调制解调器。 【创新点与关键技术】 1）性能优越的新型OFDM短波调制解调器； 2）适于短波信道的多模式OFDM传输体制； 3）适于短波信道和OFDM系统特点的联合信道估计方案； 4）BICM-LDPC联合编码调制及相干检测技术。 【主要技术指标】 信号带宽：3KHz，12KHz 数据速率：3KHz带宽：75bps～9.6Kbps 12KHz带宽：75bps～38.4Kbps 工作方式：全双工 调制方式：PSK/4QAM/8PSK/16QAM/32QAM/64QAM 同步方式：突发同步，同步概率大于99% 人机接口：键盘、LCD、局域网（RJ45）、USB、RS232串口 信号接口：话音、512KHZ中频 供电方式：直流5V-24V 功耗：≤5W
科学性、先进性
- 【科学性】 OFDM是一种新的多载波调制技术，可以最大限度地利用频谱资源。已有研究表明，OFDM技术具有很高的频带利用率和天然的抗频率选择性衰落的能力，特别适合短波信道，为高速短波通信提供了新的技术途径。 【先进性】 一、本作品采用了多项先进技术 1.将OFDM技术用于短波通信领域； 2.采用高性能的低密度奇偶校验（LDPC）编译码方法； 3.所提出的联合信道估计方案针对短波信道和OFDM系统的特点； 4.将先进的比特交织编码调制（BICM）技术用于短波OFDM通信系统。 二、本作品采用了先进的设计方法 本作品的硬件平台采用了软件无线电设计思想和先进的A/D/A、DSP、FPGA芯片，具有开放性、可扩展性和可升级性。系统软件采用了面向对象的程序设计方法，具有结构化、模块化特点，便于代码重用和软件升级。 三、本作品达到了国际先进的性能指标 本作品已实现3KHz带宽内传输9.6 Kbps的国外最高水平，且误码率性能比国外单载波调制解调器提高3dB左右。
获奖情况及鉴定结果
- 2008.11 学校第十一届大学生科技竞赛特等奖
作品所处阶段
- 本作品已完成实验室测试和室外无线通信测试,可直接进入生产阶段。 生产所需的设备条件简单。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；现场演示；录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 【使用说明】 本作品工作于双工模式。发送端的modem将用户数据调制为OFDM信号，通过音频接口送至短波电台，经短波信道发送出去。接收部分完成相反的操作，恢复传输数据。 实验室中我们采用Rockwell公司的短波信道物理模拟器MDM-3001仿真真实的短波信道。 【特点和优势】 本作品的主要特点是误码率低、传输速率高；另一特点是带宽可扩展到12KHz，这是其它调制解调器不具备的。本作品大幅提高了传输速率，可支持图像等多媒体信息的高速有效传输。 【应用领域】 本作品可用于所有短波数字通信应用，其高速率和低误码率性能进一步拓宽短波通信的应用范围。 民用方面，可用于民用救灾应急，海洋作业的指挥调度救援和偏远山区通信保障等系统。军用方面，以本作品为核心组成的短波数据链在战场信息化方面有重要应用。 【经济效益】 我国正在使用的调制解调器有数百万台，信息社会的发展进一步扩大了应用需求。本作品可作为现有调制解调器的替代和补充，其推广应用可产生巨大的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 【短波通信的国内外现状】 短波信道利用电离层的反射传送信息，由于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机性的介质，短波信道存在严重的多径时延和衰落。多径效应引起的时域扩展成为限制短波通信速率的主要因素。 国外有代表性的短波通信公司有美国的Harris公司、通用航天航空防务公司、加拿大CRC研究中心，法国的Thales公司。目前，Harris公司的RF-5800系统传输速率已达到9.6Kbps。我国的短波通信系统实际最高传输速率2.4Kbps，急需更高速率的短波通信系统。 目前短波通信的研究重点是进一步提高频带利用率。当传输速率大于9.6Kbps时，传统的均衡单载波短波传输系统已难于胜任，需要采用新的适于多径衰落信道的传输技术。 【OFDM技术在短波通信中的应用概况】 OFDM是上世纪七十年代提出的一种多载波调制技术，但直到九十年代以后才得到足够的重视。OFDM采用多载波技术将频率选择性信道转化为若干个频率非选择性的子信道，使信道均衡比单载波系统简单得多，特别适合于短波通信的应用。 DRM是采用OFDM技术，获得成功的短波数字广播系统，其目的是代替现行短波AM广播。DRM使用短波频段（3～30MHz）传输数字音频和数据信息。 国外已有多家公司从事OFDM短波通信技术方面的研究：法国Thales公司的短波OFDM系统数据传输速率达到9.6Kbps， 美国环球无线电通信公司（UR）的ARD9900型OFDM调制解调器数据传输速率3.6Kbps，但未见误码率性能方面的报导。 国内其它单位也开展了短波OFDM系统的研究工作。西安电子科技科大学从事宽带OFDM短波通信系统的研究，但频带利用率比本作品低得多，现在只有仿真结果的报导。查新结果表明，国内还大量的理论和仿真研究报导，但研究内容只针对某个单项技术，未见系统研究和性能方面的报导。 国内外相关研究表明 OFDM技术在短波通信领域的应用已经成为发展趋势，但基于OFDM技术的短波通信体制尚不成熟。所采用的OFDM系统在保护间隔、子载波间隔、调制方式和纠错编码方案均不相同，而在导频信号设计、同步和信道估计方案以及PAPR减小技术方面的差别则更大，尚未形成如串行体制美国MIL-STD-188-110B军用标准这样完备的技术规范，这从另一方面也说明OFDM短波通信技术还有很大的发展空间。
